Переходные отверстия: как их применять на печатной плате

Виды отверстий

• Сквозное проходит через все слои.
• Глухое (blind) выходит на один наружный слой и заканчивается на внутреннем.
• Скрытое (buried) соединяет только внутренние слои.
• Теплоотводное (thermal via) — обычное сквозное отверстие, задача которого — не сигнал, а перенос тепла от корпуса к внутренним слоям и обратной стороне.

Глухие и скрытые отверстия умеет делать не каждое производство: TI в SCAA082A советует ещё до разводки уточнить у изготовителя платы минимальное сверло, требования к отверстиям и возможность глухих и скрытых. Их применяют там, где мешают отводы сквозных отверстий.

Отверстие на пути быстрого сигнала

По руководству TI SCAA082A отверстие добавляет в линию индуктивность и ёмкость, меняет волновое сопротивление и удлиняет трассу — сигнал частично отражается. Отсюда правила:

• не ставить отверстия на чувствительных трассах без необходимости;
• в дифференциальной паре — либо обойтись без отверстий, либо ставить их в обе линии, поровну и симметрично (SPRAAR7J, разд. 3.9); для USB 2.0 на процессорах TI — не больше четырёх отверстий на линию;
• увеличивать антипад — вырез в плоскостях вокруг ствола: TI советует делать его как можно больше, 30 мил (0,76 мм) дают заметный выигрыш, и убирать нефункциональные площадки на слоях, где отверстие ни к чему не подключено.

Отводы и обратное сверление

Если сигнал переходит со слоя 1 на слой 2 через сквозное отверстие, ствол ниже слоя 2 становится отводом — разомкнутым на конце отрезком линии. По SCAA082A от него сигнал отражается полностью, а задержка отражённой волны равна удвоенной длине отвода, делённой на скорость сигнала. На частоте, где длина отвода равна четверти длины волны, отвод выглядит как короткое замыкание и в передаче появляются провалы.

TI в руководстве SPRAAR7J рекомендует держать отводы короче 15 мил (0,38 мм). Длинные отводы убирают обратным сверлением (back-drill): после изготовления платы лишнюю часть металлизации высверливают с обратной стороны сверлом чуть большего диаметра, чем исходное. Другой путь — глухие и скрытые отверстия, у которых отводов нет. Отвод короткий и тогда, когда сигнал переходит на слой у противоположной стороны платы: на рисунках TI в десятислойной плате переход с внешнего слоя на слой 8 оставляет отвод до слоя 10 короче 15 мил, а переход на слой 3 — отвод через всю плату до слоя 10, который нужно высверлить.

Обратный ток и сшивка земли

Ток сигнала возвращается к источнику по опорной плоскости прямо под трассой. Когда трасса меняет слой, обратный ток тоже должен перейти на другую плоскость — и если рядом нет пути, он делает крюк, образуя петлю, которая излучает и ловит помехи. Поэтому:

• рядом с сигнальным отверстием ставят одно или несколько земляных — получается структура, похожая на коаксиальную линию (SCAA082A);
• если трасса переходит между разными плоскостями земли, их сшивают отверстиями симметрично, не дальше 200 мил (5,1 мм) от сигнальных, считая от центра до центра, — чем ближе, тем лучше (SPRAAR7J);
• если опорная плоскость на новом слое на другом расстоянии от трассы, меняется волновое сопротивление — это учитывают при расчёте ширины.

Ряд отверстий, поставленных вплотную, особенно у шины, вырезает в плоскости земли прорезь: обратные токи обходят её, и петля растёт. TI в SCAA082A и SLVA959B показывает, как расставлять отверстия так, чтобы между ними оставались перемычки меди.

Ток через отверстие

Для сигналов хватает одного-двух отверстий. Для силовых цепей TI в руководстве SLVA959B приводит таблицу допустимого тока одного отверстия при нагреве на 10 °C и меди 1 унция, составленную по стандарту IPC-2152:

Большой ток проводят группой отверстий, поставленных близко к выводам, через которые ток входит в микросхему и выходит из неё. Силовые отверстия соединяют с полигонами сплошь — тепловые барьеры в виде «спиц» уменьшают сечение меди. Ширину самих дорожек по току считает калькулятор ширины дорожки.

Теплоотводные отверстия

У корпусов с открытой тепловой площадкой — QFN, PowerPAD, корпусов драйверов двигателей — основная часть тепла уходит через площадку в плату, а дальше по отверстиям во внутренние слои и на обратную сторону. По руководству TI о корпусах PowerPAD (SLMA002H):

• с ростом числа отверстий выигрыш быстро убывает: для небольшого кристалла хватает 5–9;
• в примере TI отверстия диаметром 0,33 мм с металлизацией 1 унция, а суммарное сечение меди в стволах — около 1 % площади тепловой площадки;
• сверло 0,33 мм и меньше — иначе припой с площадки утекает в отверстия при пайке;
• отверстия соединяют с плоскостями сплошь, по всей окружности, без тепловых барьеров — то же требование есть в SLVA959B.

Тепло по отверстию идёт по тонкой медной стенке, поэтому сопротивление одного отверстия велико. По расчёту TI в руководстве SNVA419C отверстие 12 мил (0,3 мм) с медью стенки 0,5 унции в плате толщиной 1,65 мм — около 261 °C/Вт, с металлизацией 1 унция — около 140 °C/Вт, заполненное медью отверстие 8 мил (0,2 мм) — около 128 °C/Вт. Отверстия массива работают параллельно: 16 штук по 261 °C/Вт дают 16,3 °C/Вт. Заполнение медью, по оценке TI, удорожает плату в два-три раза, а металлизация 1 унция вместо 0,5 — на 10–20 %. Сопротивление массива и нужную площадь платы считает калькулятор теплового расчёта платы, правила теплоотвода — в статье «Теплоотвод через печатную плату».

Как защитить припой, в документах TI сказано по-разному. SLMA002H советует заполнять отверстия или закрывать их маской со стороны компонента — диаметром на 0,1 мм больше отверстия, а закрытие с обратной стороны, по опыту TI, даёт больше пустот в припое. SLVA959B, наоборот, предупреждает, что маска на теплоотводных отверстиях вызывает пустоты, и предлагает отверстия 8 мил (0,2 мм) с площадкой 20 мил (0,5 мм), которые почти не забирают припой. Обе рекомендации относятся к своим корпусам, а приоритет — у даташита конкретной микросхемы: в нём обычно приведены размер площадки, число и шаг отверстий.

Другие правила разводки — в разделе «Печатные платы», конденсаторы рядом с выводами питания — в статье о блокировочном конденсаторе, размеры корпусов и посадочных мест — в разделе «Корпуса».